Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ. Cilt 16, No 2, 53-61, 2001 Vol 16, No 2, 53-61, 2001 ÇOK AMAÇLI ARDIŞIK BARAJLARIN İŞLETİLMESİ Osman N. ÖZDEMİR İnşaat Mühendisliği Bölümü, Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi, Gazi Üniversitesi, Maltepe 06570 Ankara, ozdemir@gazi.edu.tr ÖZET Ardışık barajların birden fazla amaç için verimli işletilmesi ancak model programlar yardımı ile mümkün olabilmektedir. Havza çalışmalarında istenilen optimum koşulları oluşturabilmek için planlama aşamasından başlayarak işletme çalışmalarının yapılacağı son aşamaya kadar, bu tür programların kullanımına ihtiyaç vardır. Özellikle günümüzde uygulamaya konulan Yap-İşlet-Devret, YİD (Built-Operate-Transfer: BOT) modeli ile baraj inşaası, bir havza planlamasında veya inşaası gerçekleşmiş bir sistemde değişik amaçlara yönelik barajların iyi bir şekilde analiz edilmesi zorunluluğunu beraberinde getirmiştir. Bu çalışmada öncelikle 1980 yılı Seyhan taşkını araştırılmış ve kurulan modelin kalibrasyonu sağlanmış, daha sonra Seyhan havzasında mevcut Seyhan barajı, hidroelektrik santrali ve işletmeye 1997 yılında alınan Çatalan barajı ve hidroelektrik santralinin taşkın kontrolü ve elektrik enerjisi üretimlerindeki etkileşimleri incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: HEC-5, baraj işletmesi, taşkın kontrolu, Seyhan Havzası OPERATION OF SEQUENTIAL MULTI-PURPOSE DAMS ABSTRACT Operation of sequential multi-purpose dams are simulated by using some programs developed for this purpose. For a basin development, in order to obtain optimum solutions, starting from planning till operation stages, varieties of these kinds of programs are required. Especially, the Built-Operate-Transfer (BOT) type dams force for better analysis of such multi-purpose systems in planning or in operation mode.
O.N. Özdemir Çok Amaçlı Ardışık Barajların İşletilmesi In this study, the flood event happened in Seyhan basin in 1980 is simulated and the model created is calibrated. Then, Seyhan and Çatalan dams and powerplants existing in the Seyhan River Basin are investigated for a joint operation for flood control and energy production. Keywords: HEC-5, dam operation, flood control, Seyhan Basin GİRİŞ Anadolu yarımadasının güneyinde yeralan Seyhan Nehri havzası kuzeyinde İç Anadolu, güneyinde Akdeniz bölgelerinin iklim özelliklerini göstermektedir. Zamanti ve Göksu akarsuları birleştikten sonra Seyhan nehrini oluşturmaktadır. Havzanın toplam yüzölçümü yaklaşık 20000 km 2 ve nehrin uzunluğu 500 km kadardır. Akdeniz kıyısına yakın kesimlerde yıllık yağış yaklaşık 800 mm, yüksek kesimlerde ise bu değer 1000 mm olabilmektedir [1,2]. Kuzey kesimlerde ise yağış 400 mm civarındadır. Yağış miktarlarının yaklaşık %50 kadarı Aralık ile ayı Mart ayı sonuna kadar olmaktadır. Türkiye de kış mevsiminde yüksekliği 1000 m ve üstü olan kesimlerde yağış kar şeklinde görülmektedir. Bu kar örtüsü ilkbahar başında eriyip, yağmur ile birleştiğinde bölgede taşkınlara neden olmaktadır. Seyhan havzasında taşkın mevsimi Kasım ayından Nisan ayına kadar olan süredir. Seyhan barajı mansabında bulunan Adana şehri ülkenin 4. büyük kenti olup ekonomik, politik, ticari, endüstriyel ve kültürel bir merkezidir. Seyhan barajı taşkın koruma ve enerji üretme amaçlı olarak 1956 yılında işletmeye alınmıştır. 1980 yılındaki Adana-Seyhan nehri taşkını mertebe olarak 100 yılda yinelenebilecek taşkına yakındır. Bu büyüklükteki taşkın dahi Adana ilinde zarara neden olmuştur [3]. Bu nedenle 500 yıllık taşkın olabileceği düşünülerek Seyhan barajının hemen menbaında Çatalan barajının inşaasına başlanmıştır. 1982 yılında inşaatına başlanan Çatalan barajı 15 yıllık uzun bir inşaat süresinin ardından 1997 yılında işletmeye açılmıştır. Bu iki barajın ortak işletilmesi ile 500 yıl yinelemeli taşkınların zararsız bir şekilde Adana ili içinden geçirilmesi düşünülmektedir. Adana ili içinden geçen taşkın yataklarının kapasitesi 800 m 3 /s [3] olarak alınmıştır. Bu çalışmada ilk adımda 1980 yılı taşkını HEC-5 programı kullanılarak modellenmiş ve kalibrasyon sağlanmıştır. İkinci adımda Seyhan ve Çatalan barajları 500 yıl yinelemeli taşkın için ortak işletilmiştir. Son aşamada ise bu iki baraja ait hidroelektrik santrallerin enerji amacı ile işletilmeleri durumunda ortaya çıkabilecek sonuçlar incelenmiştir. Yukarıda belirtilen problemlerin çözümünde U.S. Army Corps of Engineers tarafından geliştirilen HEC-5 [4,5] programından yararlanılmıştır. 54 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 16, No 2, 2001
Çok Amaçlı Ardışık Barajların İşletilmesi O.N. Özdemir HEC-5 PROGRAMI HEC-5 programı bir veya birden fazla barajın taşkın, enerji, sulama ve içme suyu gibi değişik amaçlarını 1 dakikadan 1 aya kadar olan süreler içerisinde detaylı bir şekilde modelleyebilecek kapsamlı bir programdır. Programda enerji, içme suyu ve sulama suyu bir başka deyişle depolama optimizasyonunu sağlayacak alt programlar da bulunmaktadır. Bir baraj veya ardışık barajlardan öncelikli oldukları amaçlarına göre su bırakmaları ve barajların program kullanıcısı tarafından belirlenen orantılı su seviyelerinde tutulmaları sağlanabilmektedir. U.S. Army Corps of Engineers- Amerika tarafından geliştirilen HEC-5 [4,5] programı ticari olarak özel danışman firmalar tarafından geliştirilen birçok versiyonu ile dünyanın çeşitli ülkelerinde havza planlaması veya mevcut bir sistemin daha verimli işletilmesi gibi bir çok amaç için kullanılmaktadır. Ayrıca bu çalışmada yararlanılmayan nehir yataklarının taşkına uğraması durumunda kullanılabilecek 7 adet taşkın öteleme metodu yine program içerisinde yer almaktadır. HEC-5 programının özellikleri ve programla yapılabilecekler bu çalışmanın özünde anlatılmak istenilen örnek uygulamanın uzunluğunu artıracağı için program kullanım kılavuzları ekte referans olarak verilmiştir. 1980 TAŞKINI ANALİZLERİ 1980 yılı Mart ayının son haftasında yağış ve sıcaklık artışı sonucu kar erimesi nedeni ile Seyhan baraj gölü seviyesinde özellikle 27-28 Mart günlerinde önemli artışlar izlenmiştir [3]. Seyhan barajı personeli yüksek kesimlerde bulunan derin kar örtüsünü ve sıcaklık artışını da dikkate alarak 27 Mart günü saat 16:00 dan itibaren alarm durumuna geçmiştir. 27 Mart 1980: Saat 16:00 da göl seviyesi 64:10 m ve göle giren debi 1000 m 3 /s dir. Saat 24:00 da ise seviye 64,92 m giren debi ise 3800 m 3 /s dir (Tablo 1). 28 Mart 1980: Baraj gölündeki yükselme devam etmiş ve sabah saat 9:00 itibarı ile 67,10 m seviyesine ulaşmıştır. Göle gelen su miktarı saat 10:30 da 6000 m 3 /s olarak hesaplanmıştır. Bu pik debiden sonra göle giren su miktarında azalma görülmeye başlamış fakat göldeki seviye artışı durmamıştır. Güne baraj gölünden atılan 1400 m 3 /s debi ile başlanmış, günün sonunda 24:00 sularında bu çıkış debisi 2500 m 3 /s ye kadar ulaşmıştır. 29 Mart 1980: Saat 01:00 itibarı ile göle giren debi 3800 m 3 /s olarak hesaplanmıştır. Baraj göl seviyesinin artışını önleyebilmek için çıkış debisi 2540 m 3 /s den 2800 m 3 /s ye kadar artırılmıştır. Gün içinde izlenen maksimum göl seviyesi 69,72 m olmuştur. Bu maksimum değerden sonra gölde su seviyesi düşmeye başlamıştır. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 16, No 2, 2001 55
O.N. Özdemir Çok Amaçlı Ardışık Barajların İşletilmesi Tablo1. Seyhan barajı taşkın işletmesi (24-29 Mart 1980) Tarih Saat Göl Seviyesi (m) Kapak altı Kotu (m) Giriş debisi (m 3 /s) Çıkış debisi (m 3 /s) 24 Mart 13 62.45 64.00 300 410 25 13 63.04 64.00 444 812 26 13 63.80 64.00 591 1083 27 16 64.10 64.00 1000 800 27 24 64.92 64.00 3800 800 28 01 65.12 64.00 4178 800 28 03 65.59 64.00 5091 1033 28 05 66.11 64.00 5224 1050 28 07 66.60 64.00 5640 1117 28 09 67.10 64.00 5990 1187 28 10:30 67.45 64.00 6079 1180 28 12 67.75 64.00 4964 1342 28 14 68.15 64.00 5297 1422 28 16 68.50 64.00 4826 1674 28 20 69.01 64.00 4438 2020 28 24 69.33 64.00 3691 2560 29 06 69.60 63.50 3160 2760 29 16 69.72 63.50 2830 2830 27-28-29 Mart günleri taşkının en kritik günleri olmuştur. Gölde oluşan yüksek seviye, barajdan mansapta taşkın yaratacak debilerin bırakılmasına neden olmuştur. Seyhan barajından bırakılan sular Adana şehri içindeki seddeler arasından geçmektedir. Bu seddelerin taşıma kapasitesinin 1400 m 3 /s olduğu belirtilmesine rağmen, bu miktardaki suyu dahi taşıyamadıkları ve yırtılmaların meydana gelerek taşkına neden olduğu raporlarda belirtilmektedir [3]. 1980 yılı taşkını 47000 hektar ekili arazide zarara, 21 binanın yıkılmasına, 76 binanın da zarar görmesine neden olmuştur. Yukarıda özetlenen 1980 yılı taşkınına ait hidrograf HEC-5 bilgisayar programı kullanılarak modellenmiş ve Şekil 1 de verilen izlenebilecek sonuçlar alınmıştır. Şekil 1 gölde izlenen su seviyeleri ile HEC-5 programı sonuçları arasındaki uyumun (kalibrasyonunun) yeterli olduğunu göstermektedir. TAŞKIN KONTROLÜ Seyhan barajı ve hidroelektrik santrali işletmeye alındığı 1956 yılından bu yana baraj gölünde sediment birikimine bağlı olarak alan-hacim verilerinde değişiklikler olmuştur. DSİ Genel Müdürlüğü Etüd ve Plan Dairesi Başkanlığı ile ortak yürütülen çalışmalarda veriler güncelleştirilmiştir. DSİ Adana 6. Bölge Müdürlüğünden ise Seyhan ve Çatalan barajlarının taşkın sezonlarında (1 Kasım-1 Nisan) nasıl işletildiğine ilişkin baraj gölü su seviyeleri elde edilmiştir. Ayrıca Çatalan barajı 500 yıllık taşkın hidrografı değerleri [6] HEC-5 modeline veri olarak kaydedilmiştir. 56 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 16, No 2, 2001
Çok Amaçlı Ardışık Barajların İşletilmesi O.N. Özdemir GÖL SEVİYESİ (m) 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 GÖZLENEN HEC-5 SONUÇLARI 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 SÜRE (Saat) Şekil 1. 1980 yılı taşkını gözlenen ve modellenen Seyhan baraj gölü seviyeleri Taşkın kontrolü için yapılan örneklemelerde sınır şartları olarak: i) Seyhan ve Çatalan alan-hacim-seviye eğrileri ve dolusavak boşaltım debileri ii) Seyhan nehri Adana içi taşkın koruma yatağı kesiti maksimum deşarj kapasitesi olarak 800 m 3 /s kullanılmıştır. 1980 yılında 100 yıl yinelemeli taşkında başarısız bir koruma sağlayan Seyhan barajı, Çatalan barajı ile birlikte 500 yıllık taşkınlara karşı ancak titiz bir şekilde uygulanacak mevsimlik (taşkın mevsimi) maksimum göl seviyeleri ile koruma sağlamaktadır. Şekil 2 de 500 yıllık taşkın hidrografları ile yapılan ardışık iki barajın işletmesinde Çatalan barajı 500 yıllık taşkın giriş hidrografı, başlangıçtan itibaren göl seviyeleri, deşarjlar eğri olarak verilmektedir. Şekil 3 de ise Çatalan barajından bırakılan deşarj ile Seyhan baraj gölüne direk akan Körkün, Çakıt, Üçürge sularının (ara havza) debileri toplamı giriş hidrografı olarak verilmektedir. Seyhan baraj gölüne ait su seviyeleri ve Seyhan barajı çıkış debilerine ait eğriler de Şekil 3 de gösterilmiştir. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 16, No 2, 2001 57
O.N. Özdemir Çok Amaçlı Ardışık Barajların İşletilmesi ÇATALAN BARAJI 500 YILLIK GİRİŞ-ÇIKIŞ HİDROGRAFLARI VE GÖL SEVİYELERİ 6000 126 5000 hmax=124.78m 124 DEBİ (M 3 /S) 4000 3000 2000 hmin=117m GİRİŞ HİDG. ÇIKIŞ HİDG. GÖL SEVİYESİ 122 120 118 116 GÖL SEVİYESİ(M) 1000 114 0 112 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ZAMAN (SAATx4) Şekil 2. Çatalan Barajı 500 yıllık taşkın ötelemesi 5000 SEYHAN BARAJI 500 YILLIK GİRİŞ-ÇIKIŞ HİDROGRAFLARI VE GÖL SEVİYELERİ 68 4000 hmax=67.35m 66 DEBİ (M 3 /S) 3000 2000 hmin=60.5m GİRİŞ HİDG. ÇIKIŞ HİDG. GÖL SEVİYESİ 64 62 60 GÖL SEVİYESİ (M) 1000 Qmax=800m 3 /s 58 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ZAMAN (SAATx4) Şekil 3. Seyhan barajı 500 yıllık taşkın ötelemesi Tablo 2 500 yıl yinelemeli taşkın hidrografının Seyhan ve Çatalan barajları için HEC-5 programı yardımı ile ötelenmesi sonuçlarını ve DSİ nin mevcut uygulamasını karşılaştırmaktadır. Bu tablodaki karşılaştırma HEC-5 ile yapılan çalışmanın Seyhan barajı mansabındaki taşıma kapasitesinin 800 m 3 /s olması 56 58 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 16, No 2, 2001
Çok Amaçlı Ardışık Barajların İşletilmesi O.N. Özdemir açısından önemlidir. Bu miktarda debi Adana ve çevresinde bir zarara neden olmamaktadır. Tablo 2. 500 yıl yinelemeli taşkın için DSİ uygulaması [3] ve HEC-5 sonuçlarının karşılaştırması Kret Kotu (m) Maksimum Kot (m) DSI Uygulaması Başlangıç Kotu (m) HEC-5 Sonucu Maksimum Su Seviyesi (m) DSI Uygulaması HEC-5 Sonucu ÇATALAN 126.50 125.00 118.00 117.00 125.00 124.80 SEYHAN 72.50 67.50 60.50 60.50 67.50 67.35 ENERJİ ÜRETİMİ Seyhan barajı hidroelektrik santrali 1956 yılından bu yana elektrik enerjisi üretmektedir. Bu enerji Seyhan barajı yeri itibarı ile gelen doğal akımlar ile orantılı olarak üretilmiştir. Bu doğal akımlar 1997 yılından itibaren Çatalan barajının su tutmaya başlaması ve daha sonra elektrik enerjisi üretmesi ile düzenlenmiştir. Seyhan barajı Hidro Elektrik Santrali nde (HES) doğal giriş akımlarıyla ile üretilen enerji ile Çatalan HES den Seyhan baraj gölüne bırakılan düzenli akımla üretilebilecek enerji arasında farklar olacağı düşünülebilir. Seyhan aksında oluşan doğal akımların değişkenliği nedeni ile düzenli Çatalan deşarjına göre Seyhan HES de daha az birincil (firm) enerji üretilebileceği tahmin edilmiştir. Diğer bir durumda ise Çatalan baraj gölünden Adana ili için gelecekte içme suyu olarak alınacak (16.5 m 3 /s) miktar ve Çatalan baraj gölünde oluşacak ilave buharlaşma dikkate alındığında Seyhan HES in toplam yıllık enerji üretiminde de azalma olacağı düşünülebilir. Yukarıda bahsedilen alternatiflerin modelini oluşturabilmek amacı ile 1939 yılı Ekim ayından itibaren 1992 yılına kadar olan süre için aylık akım değerleri [7] veri olarak derlenmiştir. Seyhan-Çatalan arası ara havza aylık doğal akımları da eklenerek üç durum için HEC-5 çalışması yapılmıştır. Bu çalışmalarda mevcut barajların hidroelektrik santral türbin kapasiteleri, kuyruksuyu yükseklikleri, türbin verimlilikleri ve benzeri veriler elde edilmiş ve bu veriler DSİ Genel Müdürlüğü Etüd ve Plan Dairesinde kontrol edilmiştir. Bu çalışmanın sonuçları Şekil 4 de gösterilmiştir. Şekil 4 de görülen 1 nolu durumda (DOĞAL AKIM) 1939-1992 yılları arasında yalnız Seyhan HES in çalışması halinde üretilen birincil (firm) ve toplam enerji miktarları belirtilmektedir. Yine Şekil 4 de bugün geçerli 2 numaralı durum bir başka deyiş ile Çatalan ın işletmede olduğu ve henüz Adana için içme suyu sağlamadığı haldeki enerji üretimi gösterilmiştir (MEVCUT). Son olarak 3 numaralı durumda (MEVCUT+İÇME SUYU) Seyhan ve Çatalan HES lerinin Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 16, No 2, 2001 59
O.N. Özdemir Çok Amaçlı Ardışık Barajların İşletilmesi beraber çalışıyor olması ve Adana iline 16.65 m 3 /s içme suyu sağlanması halinde üretilebilecek birincil ve toplam enerji miktarları gösterilmiştir. Bu karşılaştırmalı tablodan (Tablo 4) anlaşılacağı gibi Çatalan ın işletilmesi durumunda Seyhan da birincil enerjide artış, bunun yanında Çatalan ın içme suyu sağlaması ve baraj gölünden buharlaşma olması nedeni ile Seyhan HES de üretilen toplam enerjide bir azalma olmuştur. SEYHAN HES: ÜRETİLEN ENERJİ 400 342.151 349.558 BİRİNCİL ENERJİ TOPLAM ENERJİ 319.553 300 ÜRETİM (Gwh/yıl) 200 174.18 243.052 209.016 100 0 1 2 3 DOĞAL AKIM MEVCUT MEVCUT+ İÇME SUYU Şekil 4. Seyhan HES enerji üretimi SONUÇ Bu çalışma Türkiye de havzalar üzerinde ardışık barajların işletilmesine yönelik HEC-5 modeli ile yapılan gerçek bir problemin çözümüne ilişkin ilk örnektir. Havzalar üzerinde baraj sayıları arttıkça ve diğer barajların planlaması yapıldıkça planlamadan başlayan ve işletmeye kadar geçen süre içerisinde HEC-5 gibi kapsamlı modellerin kullanılması elde edilecek sonuçların en iyiye yönelmesinde faydalı olacaktır. Bu çalışmada konu edilen taşkın ötelemesi ve enerji üretimi ile ilgili örneklemeler Yap-İşlet-Devret (BOT) modeli ile yapılacak ardışık baraj sistemlerinde çıkabilecek mali ve hukuki problemlerin çözümünde de yararlı olabilecektir. 60 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 16, No 2, 2001
Çok Amaçlı Ardışık Barajların İşletilmesi O.N. Özdemir KAYNAKLAR 1. Özdemir, O. N. ve Sabuncu, B., HEC-5 ve Seyhan Havzası Örneği, Su Mühendisliği Problemleri Semineri (v), Fethiye, 12.1-12.6, 21-23 Eylül 1998. 2. Özdemir, O. N.., The first use of HEC-5 in Turkey, Nato Advanced Research Workshop on Coping with Floods: Lessons Learned from Recent Experience, Malenovice, Çek Cumhuriyeti, Mayıs 1999. 3. Seyhan Taşkın Raporu, DSİ Genel Müdürlüğü, Etüd ve Plan Dairesi Başkanlığı, Ankara 1981. 4. HEC-5 Simulation of Flood Control and Conservation Systems, Users Manual, U.S. Army Corps of Engineers, April 1982. 5. HEC-5 Simulation of Flood Control and Conservation Systems, Exhibit 8 of Users Manual, Input Descriptions, U.S. Army Corps of Engineers, July 1987. 6. Feasibility Study on Flood Control, Forecasting and Warning System for Seyhan River Basin, Volume I-II-III, Japan International Cooperation Agency, Ekim 1994. 7. Aylık Ortalama Akımlar Kitabı, EİE Elektrik İşleri Etüd İdaresi Genel Müdürlüğü, 1995. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 16, No 2, 2001 61